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绿色建筑的三要素

绿色建筑的三要素,即保护环境减少污染,节约资源和能源,创造一个健康安全、适用和经济的活动空间,从产业链到生态链创造一个天人合一的环境,已渐渐得到人们的共识。

绿色建筑的专业领域甚广,从规划、设计、施工到管理,从市政、园林、物业到经济,从建工建材、化工到轻工、从建筑、结构、机电到给排水,都与绿色建筑休戚相关。

这是一个偌大的系统工程,既要全民运动为其添砖加瓦,反过来,她又造福于全球民众。

特别是对结构工程师而言,在这场绿色建筑革命中能做出什么贡献呢?

在我们的实践工作中,怎么显示“绿色”的特征呢?

这都是值得探讨和思考的。

 

建筑结构体系

 

建筑结构体系是建筑的骨架。

当建筑师们勾划出建筑物的形状、高度、色彩、造型、平面布置后,其骨架、基础、围护的设计均是由结构工程师来完成的,这涉及到选型的问题。

我国的结构体系是非常丰富的。

从较原始的土结构、石结构、木结构到以后的砖结构、钢筋混凝土结构、钢结构、膜结构、组合结构,无所不有。

它的取用决定于资源、价格成本、结构型式、气候条件、文化基础等多种因素。

建国以来,我国主要采用两种结构形式,即砌体结构(普通实心砖、空心砖、砌块)和钢筋混凝土结构(框架、框支、框剪、框筒、筒中筒)。

改革开放前,以多层的砌体结构为主,约占80%~90%左右。

改革开放后,土地供需紧张,建筑需求量大幅上升,高层建筑在大中城市如雨后春笋地发展,特别是国家的墙改政策强制出台,为了避免毁田烧砖,在170个城市禁止使用实心粘土砖,预计钢筋混凝土结构的比例要占到60%以上,即这种结构已成为我国新建工程中的主导结构。

国外研究表明,钢筋混凝土建筑的耗能量,为钢结构建筑的1.2倍,其耗能所产生的CO2排放量为钢结构建筑的1.4倍,可见钢筋混凝土建筑对地球环保有很大的杀伤力。

钢筋混凝土建筑构件的断面大,要消耗大量的砂石、水泥和水,导致国土流失。

最后当其寿终正寝,拆除解体时,其废弃的渣块屑又难以回收再利用,造成环境的大负荷,拆解中的扬尘再次冲击环保。

由于钢筋混凝土结构自重大,对基础提出了更高的要求。

目前我国的高层建筑几乎都采用钢筋混凝土桩基础,视土质地层情况,打入地下不同深度,用支承和摩擦两种方式把上部结构托起来。

一般来讲基础工程占土建造价的1/3左右,它的最大弊端是在地下空间建立混凝土森林,给我们的城市地下空间开发设置了很大的障碍,破坏了地下空间环境。

如上海市约有6000幢高层,桩大致有四十几米和六十几米两种规格,在修建上海地铁时,规划线路遇到很大的麻烦,暴露了很大的负面效应。

由于我国对钢筋混凝土结构的施工方法还在沿用现浇施工法,伴随而生的是建材浪费,现场的噪声及空气污染,大量的废弃物,模板周转率低下,工程质量问题时有发生,一系列与绿色建筑背道而驰的现象。

国外学者已明确钢筋混凝土结构体系为非绿色建筑,我国却视作主导结构,这是剖析我国绿色建筑中的首当其冲的大问题,也是重新审视我国建筑结构体系的大好机遇。

在发达国家,由于模板、砂石、人工昂贵,使得钢筋混凝土结构的造价偏高,加上他们的土地资源不像中国那么紧张,房屋以多层,低层为主。

如美国的住宅建筑,根据住宅建造商协会(NAHB)提供的统计资料,美国新建住宅结构类型钢结构类仅占1%,木结构占到89%,混凝土(如砖石和混凝土)占10%。

彻底改变钢筋混凝土结构体系为我国主导结构的局面尚需有个过程。

这是因为:

1、这类结构取材方便,施工习惯,成本尚可接受,耐久性好;2、施工方法能吸纳大量劳动力,可以设想,一旦我们的建筑改成工厂化生产,会涉及到数千万建筑工人下岗,这是有关社会安宁的大问题。

因此,既要大力提倡绿色建筑,又要根据国情循序前进。

砌块建筑在我国已有几十年的发展史,时兴时落。

这种体系的最大优点是充分利用废渣废料(粉煤灰)及地方资源,制作方便,便于在砌体结构中竖向配筋,不仅用来盖多层,还可盖高层,价格不高,施工简单。

由于在生产、设计、施工几个环节中管理不严,出了点裂缝之类小问题,但也不乏有许多成功的例子,不毁田,又利废,还节能,且耐久,与其他建材相比,系归类于绿色建筑。

发达国家的轻钢结构(壁厚于小4mm)发展甚快,尤其近年来已从低层结构发展到多层结构,甚至于中高层结构(7-9层)。

这类结构除了重量轻省料,所用的材料均属再生材料外,大量的构件系工厂化生产能保证工程质量,施工周期短,是典型的绿色建筑。

木结构理所当然的属绿色建筑。

一方面我国的林业科学发展迅速,他们希望我们终止“以钢伐木”的方针,表示能提供“速成林”的木材给建筑使用;另一方面,西方国家在我国WTO后,出于他们的生态平衡,急需伐树出口到中国,价格合理的话,也可视作能接受的一种结构体系。

膜结构仅局限于部分公共建筑的应用。

绿色建筑向结构师提出了建筑结构体系选择的新问题。

众所周知,要创造出一种新的结构体系绝非易事,在可持续发展的新形势下,结构工程师要做出新的决择。

在此对混凝土用料作些分析。

从2003年我国水泥8.2亿吨的实际消费来看,扣除水泥制品、砌筑砂浆所用的水泥量,60%的水泥是用于混凝土的拌制。

全国混凝土总的用量为15亿立方米,其中房屋建筑为9亿立方米,预计2010年达到25亿立方米。

根据2003年混凝土产量,估算用于混凝土中的砂、石、水泥、水基本原材料年用量如表1所示。

数据惊人。

在我国局部地方开采砂石也出现了困难,沿海一些城市甚至采用对混凝土具有腐蚀作用的海砂,处理不当还影响工程质量。

特别要引起注意的是水泥的消费。

自1985年起我国水泥产量已连续19年居世界第一,这隐含着我们不仅浪费了大量能源与国土流失,更突出的是向大气中排放CO2,污染环境。

不考虑CO2减量与废弃物减量就称不上绿色建筑的研究,国际有关组织在研究10年间碳的预算量时,清清楚楚地写上“水泥生产”的地位和数量,所以谈及绿色建筑时,水泥用量是值得警惕的一个数据,切莫以我国水泥产量世界第一而沾沾自喜。

先进发达国家均依赖于周边贫穷或发展中国家提供水泥的,为了保护自己家园的环境,他们少生产或不生产水泥。

 

建筑结构耐久性

 

建筑结构的耐久性是指结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护条件下,在规定的时间内,由于结构构件性能随时间的劣化,但仍能满足预定功能的能力。

要注意结构耐久性与可靠性的区别。

可靠性是指结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能力;结构可靠性主要表征结构的能力问题,而结构的耐久性主要反映时间问题。

国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)规定了结构的设计使用年限。

国家标准《民用建筑设计通则》亦相应作出民用建筑设计使用年限的规定。

除了处于设计使用年限之中的建筑之外,尚有两种情况要特别关注:

一是“超期服役”,超过设计使用年限未经检验认定仍在使用;二是“中途夭折”,尚未达到设计使用年限,被强行拆除。

第一种情况,属不安全因素存在,诚然为非绿色建筑。

现在常说的全寿命是指建筑建成之日到拆除解体之日。

一个建筑设计合理,选材讲究,使用得当、维护到位、无特殊情况外(火灾、地震、风灾、不均匀沉降)其全寿命肯定是大于设计使用年限。

问题是在相当长的一段时间后,应对其进行检测,如同人步入老年后,体检的频度加大。

第二种情况,不符合可持续的科学发展观,不能做到物尽其用,是建筑资源和社会财富的损失。

拆除过程要消耗可观的人力、物力、运力,同时产生大量的粉尘和废弃物,拆除意味着新建,既要消耗资源、能源,又会排放CO2,肯定不是绿色行为。

日本规定建筑物的支撑体(梁、板、柱)的设计使用年限为100年,新西兰学者甚至按500年的使用周期设计“自维持住宅”,他们认为有1000年历史的建筑——一个诺曼底式的教堂,至今仍在正常使用,500年的周期并非不可能,应该说这都是绿色思想的体现。

我国的建筑结构的耐久性研究历史不长,近年来成为工程学科的热点。

虽然我们的基础工作做得不够,却有明显的进展。

在2002年版的《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)专门增加了耐久性规定。

《住宅性能评定技术标准》把耐久性列为住宅的五大性能之一,从结构工程、装修工程、防水工程与防潮措施、管线工程、设备、门窗六个方面设置了评定指标。

毋容置疑,建筑结构的耐久性是绿色建筑的一个重要分支,混凝土工程结构因化学腐蚀、冰冻循环、钢筋锈蚀、碱骨料反应等因素引起的耐久性降低,缩短工程的使用年限,造成巨额投资的浪费,资源的浪费是当前急需解决的基础性课题。

结构工程师应责无旁贷地承担起耐久性的研究和设计工作,让我们的建筑物全寿命周期尽可能多的为人类服务。

 

建筑轻量化

 

高强、轻质是结构工程师长期以来追求的目标。

高强、轻质无疑可以节约材料,增大使用面积,减小基础荷载还给施工带来方便。

减少建材用量,当然会促成节能、省资源、减少废弃物与温室气体排放量。

1996年我国钢材生产超过1亿吨而成为世界第一钢材生产大国,而到了2003年仅仅用了7年的时间钢材用量就超过了2亿吨。

根据“十五规划”预测,2010年钢材产量将突破3.1亿吨。

     建筑业用钢占到53%,钢种包括螺纹钢、热轧H型钢、彩涂板及钢门窗用钢、耐火耐候钢、抗层状撕裂性能钢板(Z向钢)、冷弯型钢、钢模板和脚手架。

我国房屋建筑的结构型式主要是采用钢筋混凝土结构,因此螺纹钢筋(包括带肋、光圆、预应力钢筋)的消费量最大。

我国建国以来到1996年主要采用的钢筋是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级钢筋,其强度等级分别为:

fyk=235N/mm2、fyk=335N/mm2、fyk=370N/mm2。

1996年以后,国家规范推行新Ⅲ级钢筋(HRB400),fyk=400N/mm2。

目前,热轧带肋钢筋Ⅱ级螺纹钢是我国生产和消费最多的主导产品,而欧、美等国家主要采用强度高、综合性能好的HRB400、HRB500钢筋。

我国建筑实际采用钢筋的强度等级一般比发达国家低1~2个等级。

实践证明,热轧钢筋HRB400与HRB335相比,除具有性能优良、适于抗震等优点外,并可节约钢材10%~14%。

由于HRB400正式列入国家标准《混凝土结构设计规范》,若能得到全面实施,按照2002年消费建筑用热轧钢筋量计算,大约每年可节约钢材500万吨左右。

在此不妨对混凝土和水泥再做些分析。

我国建筑所用的混凝土强度等级尽管甚多,但量大面广的是C30~C40。

2003年度,曾对商品混凝土强度分布作过统计,C30~C40占65%;C25占24%;C45~C55占8.5%。

2000年以后,国家规范推行采用C70、C80的混凝土,现在的用量约1500万立方米左右,只占整个混凝土用量的1%。

目前,各国规范中规定采用的混凝土最高强度等级分别是:

欧洲规范EuroCode2为C105,德国规范DIN1045是C115,美国规范AC/318没有规定,设计手册已用到C100,试验研究已超过C160。

发达国家C70、C80混凝土在工程中应用较为普遍。

一般来讲,在同等结构体系中,混凝土强度等级越高,其结构构件尺寸、体积就会相对减少,其用料就会减少。

为此,各个国家都将混凝土强度等级的研究作为一项基础战略研究,尤其是美国,对超高层建筑和大型公共工程所用高性能混凝土的研究,它带来的不仅仅是强度的提高,更重要的是降低水泥和钢材的用量。

美国国家标准研究院在1998年的报告就提出了C160的混凝土。

水泥一般有275号(砌筑水泥)32.5级和42.5级(新标准)。

砌筑水泥一般用于砂浆,32.5级、42.5级用于结构和制品。

2002年我国32.5级水泥占总产量的75.8%;2003年32.5级水泥占总产量的74.5%,所以我国建材市场上,32.5级水泥是主导产品。

32.5级水泥可拌制C50以下强度等级的混凝土,42.5级水泥可拌制C70、C80的混凝土,个别试验甚至可拌制出C100的混凝土。

不采用高等级的混凝土自然就用不上高级别的水泥。

用了高等级的混凝土,自然减少对水泥的消耗。

商品混凝土是建筑施工工业化的重要标志。

商品混凝土可全部采用散装水泥,不仅节约水泥10~15%,还节约了水泥袋纸的用量,且显著提高混凝土质量及改善施工现场的环境状况。

我国的商品混凝土量仅2.1亿多立方米,占房屋建筑用量23%,低于发达国家60%以上的水平。

北京、上海、广州、天津的商品混凝土用量已占现浇总量的65%。

建材的高强、轻质范畴很广,如陶粒就是很有前景的一种材料。

吉林盛产浮石,不属高强,但属轻质,制作的浮石砌块作为填充墙可大大节省基础。

发展高强、轻质一定要因地制宜。

 

工业化生产

 

建筑工业化生产的口号时起时伏地呼吁了几十年,始终没落到实处,反之显示工业化生产端倪的小型预制构件厂由于城市土地升值,产品销售不佳,现浇结构抗震性能好等多种原因纷纷倒闭。

今天我们讨论绿色建筑之际,还得反思工业化生产的老问题。

以工业生产工艺的方式兴建建筑物,也就是将建筑物的部品工业化、预制化、规格化,以及采用自动化机具来施工。

荷兰建筑大师Delf大学教授尼古拉斯·约翰·哈布瑞肯于1964年就住宅的工业化体系提出,大众(集合)住宅的设计理论:

住宅体系=支撑体(共性)+可拆合单元(个性)。

支撑体是属于大众共同决定的实体部分,实现途径是采用标准化的工业化手段获得高质量、高效率、高经济效益;可拆合单元则是属于个人所控制的空间领域,实现途径是部件化、模数化、多品种。

就住宅的工业化而言,目前流行的做法是按照住宅建筑的各个部位和功能要求,以及工厂化生产加工制造的可能性,将住宅建筑分解成各个部品部件。

部品是经工厂制作成半成品,运至施工现场,应达到在工程现场组装简捷、施工迅速。

对部品要最大限度地做到集成化供应,装配化施工,接口结合技术完善可靠,并保证部品安装就位后,能确保其规定的技术要求和质量要求,发挥其功能作用。

住宅部品体系框架如下:

支撑与围护体系(保温、隔热、防水、外装饰);2、内装体系,包括隔墙、厨房、卫生间、内门、壁柜、楼梯、装修部件;3、设备体系,包括给水与排水、供暖、通风与空调、燃气、管道与布线、智能化系统、电气与照明、电梯、消防、新能源;4、社区服务配套体系,包括休闲娱乐设施、停车设施、垃圾处置、园林浇洒、雨水收集与利用、中水处理与回用。

工业化生产与现浇施工相比较,减少许多不必要的建材浪费,同时可减少施工的粉尘、噪音及光污染。

台湾的研究数据表明,现场施工钢筋混凝土每平方米楼板面积会产生1.8公斤的粉尘和0.14公斤的固体废弃物,在日后拆除阶段则产生1.23公斤的固体废弃物。

有人统计正常的工业化生产可减少工地现场废弃物三成,减少施工空气污染一成,减少5%的建材使用量,对环境保护意义重大。

工业化生产应划入绿色建筑涵义范畴,其中大部分工作由结构工程师担纲。

工业化生产的前提是建筑师的构思,在建筑师初步方案的引领下,由结构工程师来完成结构部品的设计工作。

对此,建筑师必须具备工业化生产的建筑设计特色。

日本在这方面是做得有典范意义的。

如浴室,有坐在澡盆里洗澡的,有坐在椅子上洗澡的,有站着或蹲着洗澡的,针对调查比例,他们设计了各种不同类型的整体浴室。

对客厅,他们提供了家庭成员自然而然地聚集起来的“团圆型客厅”、来客较多的“庄重型客厅”、以提高兴趣爱好或朋友经常聚集的“活动型客厅”三种不同类型,应该说工业化生产个性化更强,越发体现了“以人为本”的本质。

随着我国房地产市场的迅猛发展,近期工业化生产有上升的潜势。

有发展眼光的开发商在做大做强的同时,隐感到管理工作的滞后,他们就在琢磨部品化→工厂化→产业化的建房模式,只有这样才能保证他们的工程质量,保住他们的企业品牌。

而这又确是满足绿色建筑的发展途径。

当然,对于那些超高层、大跨结构过于讲究工业化生产是不现实的,但对于面大量广的住宅建筑体系、教学楼、医院、一般办公楼我们是能够实现工业化生产的。

 

开展优化设计

 

开展优化设计工作,制定鼓励优化技术的政策文件,指导工程设计人员建立各种结构形式的优选方案,通过对经济、技术和资源的对比分析,提出优化设计报告,这是节约资源、抵制不良的设计倾向不可忽略的一个环节。

众所周知,我们的设计队伍庞大,水平不一,加上设计软件参差不齐,理解标准规范深浅不同,各单位的设计风格有别,使设计结果出入不小,尤其体现在断面尺寸和用钢量两个指标中,这明显地关系到材料用量。

这种情况不仅中国大陆存在,其他地区或国家也有类似的情况。

如在台湾的中震后,一般设计合理的20层办公大楼结构,每平方米的钢筋用量约在160公斤左右,但有一些结构系统设计不良的大楼却高达250公斤幅差达三成,其糟蹋地球资源的情形可见一斑。

更要引起警觉的是近几年建筑界有一股“怪”风,追求“新、奇、特”把建筑方案搞得离奇、夸张、怪诞,国外媒体讥讽我们的某些项目是世界建筑师的“实验场”。

为了别出心裁,作不必要的变化造型,不合理的超大结构、不均匀对称的平面设计,使得建材用量暴增。

结构工程师绝对不是受力分析、设计断面、决定配筋、构造措施这么简单的受制于项目负责人的力学数学工程师,对于不合理的设计应勇于站出来与业主,建筑师、设备电气工程师展开讨论,宣传绿色建筑理念,弘扬可持续发展精神。

我们工程技术人员应树立科学发展观的思想,着手研究建立科学的建筑方案评价指标体系,包括安全可靠的评价指标体系(综合考虑结构、地基、抗震、防火),经济合理的评价指标体系(全面考虑项目的可行性,适用性及性价比,包括机电设备性格比,运行管理性价比、适用材料性价比等),美观实用的评价指标体系(实用为本、美观为上,美观又属上层建筑范畴,应考虑包括文化、历史、地域、民族习俗、环境等诸多复杂因素),适度超前的评价指标体系(科学准确、实事求是地预测今后若干年可能出现的情况和所采用的超前设计、新技术、新产品)。

这些正是绿色建筑的基本内涵。

相信当结构工程师们树立起绿色建筑的理念后,会在工程分析中坚持自已的绿色倡导。

此外,结构工程师在设计中常会遇到选材的问题,建议应建立建材再生使用的想法。

减少建筑产业耗能与污染最有效的对策,在于促进建材循环使用。

欧美发达国家对于建筑物均有“建材回收率”的规定,通常规定建筑物必须使用一定百分比的回收建材(如再生混凝土砖、再生玻璃)。

日本在1993年时对混凝土块的再利用率约为70%,营建废弃物的一半左右均回收再循环使用,有些欧洲国家甚至达到80%的回收率。

中国拆房时,除了钢筋、部分木材能回收外,瓷砖、塑胶、废块的砖几乎都不回收,还带来废弃物处理的负担。

由于高层超高层建筑和大跨建筑大量涌现,钢筋连接技术在我国发展很快,锥螺纹、直螺纹、套筒连接、剥肋滚压等,各种方式层出不穷,不仅力学性能相异,材料用量也大不一样。

十万平方米的建筑约有十万个接头,精打细算,单是接头一项,就可以节约不少钢材。

细微之处的绿色考虑不胜枚举。

那种把绿色建筑的推广简单地视为规划师、建筑师、环境师的职责是一种狭窄之见。

结构工程师一定要掘弃“我们是跟着建筑师来依样画葫芦”的传统思想,充分认识自己在发展绿色建筑中的重要责任。

中国的绿色建筑具有广阔的市场和发展空间,一些企业已相继进入了中国建筑节能和绿色建筑的相关领域,并取得了可喜的业绩。

广大工程技术人员也应该积极行动起来,为国家及世界的可持续发展,献出自己的聪明才智。

 

 

 

 

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